光電跟蹤設(shè)備視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李正煒　王建立　王斌

摘 要：由于受環(huán)境天氣及訓(xùn)練成本影響，操作手只能在光電跟蹤設(shè)備上進(jìn)行有限的訓(xùn)練。運(yùn)用MFC和Vega Prime設(shè)計(jì)了光電跟蹤設(shè)備視景仿真系統(tǒng)，通過對(duì)視景仿真系統(tǒng)的操作可滿足操作手的訓(xùn)練需求。根據(jù)背景環(huán)境設(shè)置，系統(tǒng)視場(chǎng)大小，目標(biāo)模型等，利用Vega Prime進(jìn)行場(chǎng)景仿真渲染。仿真系統(tǒng)視窗指向由人機(jī)交互設(shè)備進(jìn)行控制，通過控制設(shè)備使運(yùn)動(dòng)目標(biāo)保持在視場(chǎng)中央，模擬實(shí)際手動(dòng)跟蹤目標(biāo)過程。此系統(tǒng)可通過仿真不同目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡和不同環(huán)境，對(duì)操作手進(jìn)行訓(xùn)練，提高操作手技能。

關(guān)鍵詞：Vega Prime；仿真系統(tǒng)；光電跟蹤設(shè)備；MFC；模擬訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）02-0181-03

Academy of Sciences，Beijing 100049， China）

Abstract： Due to the impact of weather and training costs， the training on the optoelectronic tracking equipment is limited for operators. Utilize MFC and Vega Prime to design a visual simulation system of optoelectronic tracking equipment， which may meet the training needs for operators. Vega Prime generates the scene according to the background environment settings， the field of system size and target model. The pointing of simulation system window is controlled by the human-computer interaction device. Through the device， operators maintain the moving target at the central visual field as an actual process of manually tracking target. This system can simulate different movement targets and environment for operators to improve their skills.

Key words： Vega Prime； Simulation System； Optoelectronic Tracking Equipment； MFC； Simulation training

1 概述

在實(shí)際測(cè)量任務(wù)中，所用的導(dǎo)彈和靶機(jī)成本較高，如果由于操作手失誤造成測(cè)量任務(wù)失敗，可能導(dǎo)致整個(gè)測(cè)試的失敗，這將導(dǎo)致很大的損失。所以需要對(duì)操作手進(jìn)行有針對(duì)性的訓(xùn)練，提高其操作技能，以確保能勝利完成測(cè)量任務(wù)，但采用信號(hào)彈或靶機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練的話，會(huì)產(chǎn)生較大的訓(xùn)練成本。通過視景仿真技術(shù)對(duì)實(shí)際觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行仿真，通過人機(jī)交互設(shè)備模擬操作對(duì)設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作手的訓(xùn)練。

采用MFC中的基于單文檔/視圖結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序框架實(shí)現(xiàn)Vega Prime視景仿真程序的開發(fā)。仿真模擬軟件可以根據(jù)需要隨時(shí)改變仿真場(chǎng)景設(shè)置和目標(biāo)飛行軌跡設(shè)置，根據(jù)對(duì)人機(jī)交互輸入的視軸信息，實(shí)時(shí)更新模擬視景窗口指向，模擬實(shí)際跟蹤過程。

2 Vega Prime介紹

Vega Prime是Multigen-Paradigm公司推出的實(shí)時(shí)三維虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)，其底層是基于開放式OpenGL技術(shù)具有良好的跨平臺(tái)性[1-5]，通過Lynx Prime GUI圖形化工具可以進(jìn)行快速配置，簡(jiǎn)單易用讓用戶可以快速準(zhǔn)確地開發(fā)出適合要求的視景仿真應(yīng)用程序，是實(shí)景仿真軟件平臺(tái)的主流工具[6-7]。

仿真系統(tǒng)采用基于單文檔/視圖結(jié)構(gòu)的MFC面向?qū)ο髴?yīng)用程序框架進(jìn)行開發(fā)[8]。為實(shí)現(xiàn)仿真程序具有實(shí)時(shí)的人機(jī)交互性，程序采用多線程模式，包含的線程有視軸姿態(tài)輸入線程、Vega Prime渲染線程、MFC主線程，程序運(yùn)行流程圖如圖4所示。

視窗指向控制，先用Creator創(chuàng)建一個(gè)很小點(diǎn)目標(biāo)作為視軸目標(biāo)，在LynX配置文件中創(chuàng)建視軸目標(biāo)Object，在顯示場(chǎng)景中可以忽略它的存在，將它作為Vega Prime目標(biāo)觀察物，視軸目標(biāo)始終處于視窗中心，通過改變視軸目標(biāo)位置進(jìn)而實(shí)現(xiàn)視窗指向改變。

視軸姿態(tài)輸入，由人機(jī)交互設(shè)備輸入視軸控制信息，實(shí)驗(yàn)所采用的輸入設(shè)備是鍵盤，通過上下鍵控制視軸的俯仰角變化，左右鍵控制視軸的方位角變化。在Vega prime仿真渲染線程中對(duì)輸入事件響應(yīng)，根據(jù)事件類型調(diào)整視軸方位俯仰值，轉(zhuǎn)換為視軸目標(biāo)位置，更新視軸目標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)視窗控制，輸入設(shè)備可由其他設(shè)備替代鍵盤，如游戲手柄等。

目標(biāo)軌跡設(shè)置，以觀測(cè)點(diǎn)中心為原點(diǎn)，載入運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡文件將目標(biāo)軌跡點(diǎn)保存于內(nèi)存中，在Vega prime進(jìn)行渲染時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間提取軌跡點(diǎn)，設(shè)置目標(biāo)位置。目標(biāo)姿態(tài)，根據(jù)前后兩次位置變化方向進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，才能獲得較好的視覺效果。

仿真環(huán)境設(shè)置，可以設(shè)置背景云量，模擬晴天與陰天，對(duì)場(chǎng)景加入噪聲、抖動(dòng)、模糊等效果實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)成像過程仿真，可以通過Vega Prime API函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

相機(jī)效果仿真設(shè)置，在Lynx配置文件中，添加vpCamera和vpCameraCompositeEffect兩項(xiàng)，前者為相機(jī)后者為相機(jī)效果設(shè)置，該類可以仿真平臺(tái)的抖動(dòng)，模糊，乘法固定模式噪聲，隨機(jī)噪聲等效果。

3.1運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡設(shè)置

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)均以觀測(cè)點(diǎn)為坐標(biāo)中心，仿真系統(tǒng)可以進(jìn)行3種模式運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡設(shè)置，分別為變速運(yùn)動(dòng)軌跡、等效正弦運(yùn)動(dòng)軌跡，直接載入包含時(shí)間和目標(biāo)位置的理論目標(biāo)軌跡。

3.1.1變速目標(biāo)軌跡設(shè)置

設(shè)定目標(biāo)方位角運(yùn)動(dòng)角速度、角加速度，俯仰角運(yùn)動(dòng)角速度、角加速度。

進(jìn)行模擬訓(xùn)練時(shí)，首先通過人機(jī)交互界面設(shè)定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)，設(shè)定鍵盤左右鍵控制量變化大小，天氣情況設(shè)定及相機(jī)效果設(shè)定，更新視軸方向使目標(biāo)處于視場(chǎng)中心。然后啟動(dòng)目標(biāo)仿真，目標(biāo)開始沿設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，此時(shí)通過操作控制視窗指向的“上、下、左、右”鍵改變視窗指向，使目標(biāo)保持在十字絲中心。或設(shè)定目標(biāo)從各個(gè)方向飛入視場(chǎng)場(chǎng)景，演練操作手的反應(yīng)和操作速度。通過模擬各種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和不同場(chǎng)景，對(duì)操作手進(jìn)行訓(xùn)練。記錄目標(biāo)方位俯仰與視軸的方位俯仰差值，即目標(biāo)脫靶量，通過對(duì)目標(biāo)脫靶量統(tǒng)計(jì)情況來衡量操作手的技能水平。

5結(jié)論

結(jié)合Vega Prime和MFC實(shí)現(xiàn)對(duì)光電跟蹤設(shè)備視景仿真系統(tǒng)的開發(fā)，介紹了視景仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件運(yùn)行流程，闡述了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡設(shè)置方法和運(yùn)動(dòng)過程中目標(biāo)姿態(tài)更新方法。MFC通過調(diào)用Vega Prime API實(shí)時(shí)對(duì)Vega Prime仿真場(chǎng)景進(jìn)行改變。通過相機(jī)仿真效果和天氣背景條件設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的仿真。跟蹤目標(biāo)可以加載變速運(yùn)動(dòng)軌跡、正弦運(yùn)動(dòng)軌跡或直接載入真實(shí)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，使操縱手在接近真實(shí)情況下得到訓(xùn)練，提高操作技能，降低訓(xùn)練成本。

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